【C++】模版：范式编程、函数模板、类模板

目录

一.范式编程

二.函数模板

1.概念与格式

2.原理

3.实例化

4.匹配规则

三.类模板

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一.范式编程

在写C++函数重载的时候，可能会写很多同一类的函数，例如交换函数：

void Swap(int& left, int& right)
{int temp = left;left = right;right = temp;
}void Swap(double& left, double& right)
{double temp = left;left = right;right = temp;
}void Swap(char& left, char& right)
{char temp = left;left = right;right = temp;
}

针对不同的类型（int,double,char...）要写相似但不同的函数，如上代码就存在以下问题：

• 重载函数仅仅是类型不同，但只有有新类型出现，就必须增加对应的函数，代码复用率比较低
• 同时代码的可维护性也很低，一个函数出错需要修改，其余的重载也都需要进行修改

为了应对以上问题，模版应运而生。就像活字印刷中的模板一样，根据模板能够印出对应的字，根据颜料的不同，又能印出颜色不同的字，放在C++中也是同理，存在模板这样一个模具，在这个模具中填入不同材料（类型），得到不同的结果，这就是范式编程。

范式编程：编写与类型无关的通用代码，是代码复用的一种手段，模板是范式编程的基础。同时模板又有函数模板和类模板。 

二.函数模板

1.概念与格式

函数模板代表了一个函数家族，该函数与类型无关，在使用时被参数化，根据实参类型产生函数的特定类型版本。

 使用的格式为：

template<class T1,class T2,......>

返回值类型 函数名（参数列表）{    函数主体    }

template就是使用模板的关键字，class可以使用typename替代，但不能使用struct替代，并且class和typename可以混用，可以出现template<class T1,typename T2>的情况，T1,T2...代表不同的类型，可以在函数的实现中使用。

 具体到交换函数的函数模板就是这样：

template<typename T>
void Swap(T& left, T& right)
{T temp = left;left = right;right = temp;
}

可以发现，T可以是int,double,char等不同类型，对该模板传入不同的类型，就会得到不同的特定类型函数，这样就大大增加了代码复用率。 

小练习：

其中4,6,7是正确声明，尤其注意7这样的class,typename混用是允许的。 

2.原理

函数模板本质而言就是一个蓝图，它本身并不是函数。就像类和对象的区别一样，类是图纸，对象才是实际建造起来的房子。函数模板是编译器产生特定类型具体函数的模具，模板只是将本该我们做的重复事情交给了编译器。

 在编译器编译阶段，对于模版函数的使用，编译器会根据传入的实参类型来推导生成对应的特定类型的函数，也就是对于不同类型，编译器会根据模板自动生成专门的函数来使用，注意这里调用的函数不是同一个函数。

3.实例化

当使用不同类型的参数来使用函数模板时，就被称为函数模板的实例化。函数模版的实例化分为隐式实例化和显示实例化。

隐式实例化：让编译器根据实参推导模板参数的实际类型

template<class T>
T Add(const T& x, const T& y)
{return x + y;
}int main()
{int a1 = 10, a2 = 20;double d1 = 10.1, d2 = 20.1;//a1,a2都是int类型，因此编译器自动推导模板中T为int类型cout << Add(a1, a2) << endl;//同理，此时推导T为double类型cout << Add(d1, d2) << endl;
}

 然而，也会存在编译器无法推导的情况，例如此时，c1和c2类型不相同，c1为int，c2为double，那么此时编译器应该推导T为int还是double呢？编译器不知道，因此报出了错误。

 此时可以使用多参数模板解决，就是在template声明模板时，再加一个类型T2,这样就能进行合适的推导了。当然，也可以使用显示实例化：

显示实例化：直接告诉编译器这个类型T是什么，此时哪怕实参不是类型T，也会走隐式类型转换

例如此时若指定T为int类型，那么double类型的c2就会隐式转换为20，double也是同理

4.匹配规则

• 一个非模板函数可以和另外一个同名的函数模板同时存在，而且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函数
• 对于非模板函数和同名函数模板，如果其他条件都相同，那么调用时会优先调用非模板函数，从而不会实例化一个模板函数，反之，若模板可以实例化一个更匹配的函数，那么就会选择模板

//非模板函数,适用于int类型相加
int Add(int a, int b)
{return a + b;
}//函数模板，适用于相加
template <class T1, class T2 >
T1 Add(T1 a, T2 b)
{return a + b;
}int main()
{Add(10, 10);//调用非模板Add(10, 10.1);//调用模板return 0;
}

注意：模板函数不允许自动类型转换，但普通函数是可以进行自动类型转换的。 

三.类模板

类模板和函数模板类似，格式为：

template<class T1, class T2 ...> 
class 类模板名
{
 // 类内成员定义
};   

 例如声明一个简单的Stack栈的类模板：

template <class T>
class Stack
{
public:Stack(int capacity = 4){_arr = new T[capacity];_size = 0;_capacity = capacity;}void Push(const T& data) {if (_size == _capacity){int capacity_s = _capacity * 2;T* tmp = new T[capacity_s];memcpy(tmp, _arr, sizeof(capacity_s));_arr = tmp;_capacity = capacity_s;}_arr[_size++] = data;}private:T* _arr;int _size;int _capacity;
};int main() 
{//实例化模板Stack<int> s1;//intStack<double> s2;//doubles1.Push(1);s1.Push(2);s2.Push(2.15);s2.Push(2.16);}

那么这跟直接实现Stack类比较有什么好处呢？在直接实现的stack中，通常使用typedef数据类型来使用，可这也间接限制了栈储存不同类型数据的情况，若同时需要一个存放int类型一个存放double类型的栈，直接实现就很难了，需要单独去实现两个不同类型的stack，而模板就很好的解决了这一问题，直接传入不同的类型来实例化针对不同数据类型的栈：

// Stack是类名，Stack<int>才是类型Stack<int> st1;    // int类型的栈Stack<double> st2; // double类型的栈

接下来是一些类模板的练习题，加深对模板的理解：

下面有关C++中为什么用模板类的原因，描述错误的是? ( ）

答案：C，模板运行时不检查数据类型，也不保证类型安全，相当于类型的宏替换

 下列关于模板的说法正确的是（ ）

答案：D，对于A而言，前文在隐式类型转换时给出的Add(c1,c2)就是显然的报错，编译器无法自动推导，此时不能省略；对于B而言，类模板重点在后模板二字，是未实例化的模具，而模板类是根据 类模板 这个模具做出的类，是类模板实例化得到的具体类；对于C而言，template<class T, size_t N>这样的存在是允许的，虚拟类型指的是class T，而size_t N并非虚拟类型

 下列描述错误的是（ ）

答案：D，模板类是一个家族，编译器的处理会分别进行两次编译，其处理过程跟普通类不一样